Page 34 - 《真空与低温》2025年第3期

韩熙隆等：可集成真空微纳电子器件发展与展望 305

栅极 P + 收集极
L<空间平均自由程
耗尽区
电子方向 电子散射 发射极 收集极
半导体沟道 n （准）真空纳 发射电子
电流方向 米沟道 电子散射
空间晶格 基板
P + 发射极
（a）固态半导体器件结构 （b）真空微纳电子器件中 （c）固态半导体器件中 （d）真空微纳电子器件结构
电子输运方式 电子输运方式

图 2 载流子在固态器件与真空微纳电子器件中的输运方式
Fig. 2 Transport modes of charge carriers in solid-state devices and VMNEDs

隧穿距离
E E
真空 真空

C C
V G <V turm-on V G >V turm-on
（a）电压小于开启电压时的能带图 （b）电压大于开启电压时的能带图
（电子隧穿距离较长） （能带弯曲电子较为容易实现发射）

图 3 电子场发射原理示意图
Fig. 3 Schematic diagram of electron field emission principle

1928 年，Fowler 等 [19] 首次针对平面电子发射 3 真空微纳电子器件的研究现状
建立了场发射理论，并推导了著名的 Fowler-Nord-
随着微纳加工技术的不断发展与成熟，真空
neim（F-N）公式 [20–21] ，后续的大量实验结果也与 F-N
微纳电子器件的发展也进入了新的阶段，器件内
曲线相吻合，证明了冷阴极发射机制存在一种共性，
电子输运的沟道尺寸也真正降低到了纳米量级。
并且可以通过 F-N 公式合理解释。目前主流研究
在 2012 年 ， NASA 的 Han 等 [16] 与 匹 兹 堡 大 学 的
中所采信的 F-N 公式一般形式为： [29]
( 3/2 ) Srisonphan 等 分别研究制备出了 “纳米真空沟道
2
2
β V −BΦ d
J FN = A exp （3） 晶体管”以及“真空沟道金属氧化物半导体（MOS）
Φd 2 βV
场效应晶体管”。尽管命名方式大相径庭，结构也
-6
-2
式中： J FN为场发射电流密度；A=1.56×10 A·V ·eV，
具有很大差别，但这两组器件具有里程碑式的意义。
-1
7
-2/3
B=6.83×10 V·eV ·V·cm ，为理论推导所得的发射
βV 第一，在这两组器件中，阴-阳电极（有些研究中也
常数；Φ 为发射体的功函数； E = 为电场强度；V
d 仿照固态晶体管的命名方式，称为源极和漏极；或根
为阴阳极之间所施加的电压； β为场增强因子，与
据其原理称为发射极和收集极）之间的间距控制在
阴极发射体的形貌有关；d 为阴阳极间距。
纳米级别，小于上述推导的电子在空气中的平均自由
在研究中，一般会绘制出场发射器件测得的
程；第二，他们的工作电压都在 10 V 以内，使器件
电 流-电 压 （I-V）曲 线 以 及 对 应 的 F-N 拟 合 曲 线
工作过程中电子的能量始终小于空气分子的第一
2
（ln（I/V ）-1/V），以定量计算器件性能。但是在很多
电离能，从而避免气体放电。这两点为接下来的研
研究的数据分析中，F-N 拟合曲线并不是一条完美
的直线，因此也有很多文献对其进行了修正 [20，22–28] ， 究奠定了坚实的基础。Han 提出了两种器件的结构
包括针对低电场和高电场下电流的 WKB 近似修 形式，分别是继承传统形式的 Spindt 型以及平面型
正、器件结构的修正、材料的修正、空间电荷限制 场发射器件；而 Srisonphan 着重研究了一种垂直结
效应的修正等。这些修正有助于进一步研究特定 构的场发射器件。后续研究的大多数器件也基本
器件结构中的场发射效应。 沿用了这样的结构。这两种器件形式如图 4 所示。